霍尔效应磁敏传感器及其应用.pdf

I 1 1 一 霍 尔 效 应 磁 敏 传 感 器 及 其 应 用 曲宏泽 淄博微机应用研究所 山东淄博 2 5 5 3 0 0 一 叙 词 圭 昱 堡 生 壁 量I 集 成 传感器霍尔元件霍尔集成 电路 技术 的发展 对传感器的性能 要求越来越高 一方面要求尽 可能精确 可靠性要高 另一方面要求价格尽可能 低廉 霍尔传感器是一种理想器件 与干簧管相 比 霍尔器件工作更为迅速可靠 与光电传感器相 比 霍尔器件受灰尘的干扰要小得多 以霍尔效应原理构成的霍尔元件 霍尔集成 电路 霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器 简称 霍尔传感器 由于硅霍尔集成电路的卓越性能 它已成为霍尔传感器的主流产品 在工业 军事和 科学技术等领域得到广泛的应用 同时以霍尔元 器件二次集成的各种机电一体化产品 如接近开 关 位置传感器 速度传感器 电流传感器 电功率 传感器等也纷纷问世 开辟了霍尔传感器的应用 领域 一 分类和特点 1 分类 霍尔传感器按其功能和应用可分为开关型 碳定型 线性型三种 开关型传感器适用于接近 开关 键盘开关 速度传感 位置传感 角度传感 等 是在自动检测和控制 中用量最大的一种霍尔 传感器 锁定型传感器实质上也是一种开关器 件 与一般霍尔开关的差别在于它是由双磁极激 发的 因此比单磁极霍尔开关有更好的抗干扰能 力 特别适用于多极磁环和交变磁场的场合 2 硅霍尔传痞器的特点 从应用角度来看 硅霍尔传感器具有以下一 些特点 自 动 代 健 最 1 9 9 7 1 8 1 O 弋 无触点 从根本上消除了由触点开关造成 的抖动噪声和电火花现象 输出为等幅信号 功能低 无机械磨损 寿命长 功耗电流典 型值为 7 mA 温度特性好 抗干扰能力强 可靠性和稳 定性高 可在有尘埃 完全黑暗和恶劣气候条件下 工作 频率响应宽 可达 1 O O k Hz 上升时间典 型值为 1 O O i s 下降时间典型值为 2 0 0 n s 体积小 结构牢固 便于安装和使用 可和计算机直接连接 二 开关型霍尔集成电路 1 结构原理 霍尔效应开关把稳压器 霍尔电压发生器 信 号放大器 触发 电路和输出驱动器等都集成在一 块硅芯片上 如图1所示 田 1 霍尔效应开关的开关动作 取决于其磁场垂 直通过芯片正面的霍尔电压发生器的外加磁体的 接近程度 霍尔电压发生器首先产生一个放大了 的模拟电压 并通过触发 电路将其整形转换成数 字输出 2 基本工作方式 1 正向工作方式 最简单的方式是使用磁棒或磁条从正面启动 霍尔开关 如图2所示 维普资讯 田 2 正向工作方式 2 平动 径向 工作方式 见图 3 囤 3 平动工作方式 此外 还有装有集中器的平动工作方式 3 负载连接 不论是集电极开路输出还是发射极输出 霍 尔电路输出端均应接负载电阻 集电极开路型负 载 电阻接在输出与电源之间 发射极输 出型负载 电阻接在输出端与地之间 负载电阻由电路的最 大负载电源决定 对于电感性负载要加瞬变电压 抑制 电路 三 双磁极霍尔锁定器 双磁极霍尔锁定器又叫双磁极霍尔开关电 路 它是集成化霍尔效应传感器的重要分支 双 磁极霍尔锁定器的磁滞回线相对于零磁场轴是对 称的 在交变磁场的作用下可得到接近 1 1的占 空 比 输入电压平均值约 为0 5 V 由于双磁极 霍尔锁定器的对称磁滞特性 其输 出渡形的占空 比不受外界温度以及交变磁感应强度峰值大小的 影响 惆而在旋转传感系统和电机伺服系统等交 变磁场场合人们首选双磁极开关 它的稳定性和 可靠性远远高于单磁极开关 图 4 表示了双磁极 霍尔锁定器输出特性及在交变磁场作用下的输出 特性 利用霍尔锁定器还可以同时实现转速和方向 2 鞋感应强度 T a 辖 特性 I V n 厂 厂 0 r 国 4 度 畦 蛹 怍 墙 恃性 传感 四 线性型霍尔集成电路 线性型霍尔集成 电路是由霍尔元件 差分放 大器 输出器和电压调整器组成 它是一种高灵 敏度的磁敏器件 可以准确跟踪高斯级的微弱磁 场的变化 由于把霍尔元件和放大器集成在同一 芯片上 因而把处理毫伏级模拟信号的问题大大 地简化 了 并且由于其线性度好 工作温度范 围 宽 所以使用极为方便 它在下述诸方面得到应 用 1 铁金属材料探测器 金属感应器探测铁金属的存在 如用在 清棉中的金属探测仪 凹位感应器探测铁金属的不存在 2 数字式高斯计 利用线性霍尔电路可制成实用的数字式高斯 计 灵敏度可达 1 0 v T 精度在 5 以内 3 霍尔电流传感器 它是一种新颖的电流检测装置 系利用霍尔 输出电压与磁感应强度的线性关系来测量导线电 流 它是一种先进的能隔离主回路与控制回路 检测从直流到 1 0 0 k Hz正弦与非正弦周期量 电 流值的模块化产品 副边输出能忠实反映原边电 流的波形 它利用霍尔原理 采用包括反馈磁补 偿式 选频式两大体系 可用于电流信号的监测 反馈及过流保护 选频式 电流传感器 频带不宽 响应时间较 长 可用于直流或 5 0 Hz电流信号的检测 与老 式直流或交流互感器相比 磁路设计简单 在电路 形式上可有多种变化 输出形式可任意改变 不仅 可与计算机直接连接 实施 自动检测控制 又可输 PA J 1 9 9 7 1 8 1 0 维普资讯 一 7 涡街流量计测量饱和蒸汽质量流量和密度补偿法的探讨 丝搓一 清华大学 北京 1 0 0 0 8 4 饱和蒸汽作为一种重要的 二次能源 在工业各领域得到 广泛应用 目前正处于发展中的低温棱供热反应 堆也是以饱和蒸汽作为核能热 电联供系统 核能 溴化锂制冷系统 核能海水淡化系统的载能工质 汽尽管应用很广泛 但其质 T K J c 7 量流量的准确 一 直是困扰着流量测量工程师的一个难 因为工业饱和蒸汽实际上是气液混合物的 体 其流动工况 比较复杂 尚无成熟 定型 可供利用 而饱和蒸汽质量流量的准确测 量 对于加强能源管理 节约能耗以及了解有关用 汽设备的工作性能等是迫切需要的 近些年来才 发展起来的涡街流量计 VS F 由于其独有的特 点 即旋涡产生的频率仅与被测流体的流速有关 在一定雷诺数范围内 几乎不受流体性质 压力 出多种信号 独立进行检测控制 是替代老式交直 流电流互感器的理想器件 反馈磁补偿式电流传感器 频率宽 响应时问 短 精度与线性度较高 因此可以测量高频电流及 脉冲电流等信号 在大 电流保护中具有极大的应 用价值 现在较为流行的交流变频调速系统中用 它作为电流检测装置 五 霍尔接近开关 霍尔接近开关是开关型霍尔传感器的一大应 用和发展 它既有普通霍尔传感器所具有的无触 点 无开关瞬态抖动 高可靠和长寿命等优点 又 有很强的负载能力和广泛的功能 特别是在恶劣 环境下它比目前使用的电感式 电容式 光电式等 接近开关具有更强的抗干扰能力 这种开关采用 圆管形防水设计 可以在水下可靠工作 开关内部 采用厚膜混合集成电路工艺制作 霍尔接近开关 根据其不同的功能和使用要求可分为通用型 强 负载型 交流型和智能型 其典型应用有位置传 感 旋转传感 自动检测与控制 六 应用及发展趋势 霍尔传感器主要应用场合是那些给出 Ye s 自 矽t 匕 基 19 9 7 1 8 1 O No信号的位置和移动开关 如在汽车中能提供 车门是否关紧以及座位皮带是否系紧等信号 同 时也能给出控制信号 例如定时点火等 当与铁 磁传动装置结合使用时 可用来测量飞轮等速度 模拟霍尔传感器可用来测量磁场强度 还可用于 测量仪表 大功率设备 电流保护 开关设备等 国 外 霍 尔 传 感 器 的 发 展 方 向是 采用 了 C MOS技术 优点在于它的高度集成化 同样功 能可以集成在非常小的芯片内 如信号预处理的 最主要部分 已在霍尔器件上完成 其中包括前置 放大 失调补偿 温度补偿 电压恒定 并且可以在 芯片上集成许多附加功能 如数据存储单元 定时 器 A D转换器 总线接 口等 所有这些都采用 C MOS标准 它